SLF通信系統中功率放大器諧波抑制問題研究*

李　斌　王永斌

(1.海軍工程大學電子工程學院　武漢　430033)(2.91919部隊　羅田　438600)

LI Bin1,2　WANG Yongbin1

(1.College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering, Wuhan　430033) (2.No.91919 Troops of PLA, Luotian 438600)

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SLF通信系統中功率放大器諧波抑制問題研究*

李斌1,2王永斌1

(1.海軍工程大學電子工程學院武漢430033)(2.91919部隊羅田438600)

論述了SLF通信系統中開關功率放大器諧波產生的機理，分析了目前SLF通信系統中采用LC濾波方案來抑制諧波的優點和局限性。結合SLF通信系統的實際，提出了APF和波形合成兩種進一步抑制諧波的方案，并論證了其可行性。

開關功率放大器; 諧波抑制; LC濾波; APF; 波形合成

LI Bin1,2WANG Yongbin1

(1.College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering, Wuhan430033) (2.No.91919 Troops of PLA, Luotian 438600)

Class NumberTN839

1　引言

超低頻(SLF 30Hz-300Hz)通信[1]是目前對潛艇進行遠距離、大深度、不間斷通信的唯一有效手段，具有十分重要的戰略意義。超低頻對潛通信系統因其系統龐大復雜、技術含量高，目前世界上只有美國、俄羅斯等少數國家掌握了超低頻對潛通信技術。SLF通信系統中，受天線效率低下的影響，為達到通信要求，不得不提高發信功率。在SLF實際通信系統中，其發信功率已經達到兆瓦級別，如此大的功率讓系統必須十分注意效率問題。隨著電子電力技術的發展，開關型功率放大器因為其極高的功率轉化效率(80%以上)，在SLF通信系統中得到了應用。但是，開關型功率放大器作為非線性器件，在提高效率的同時也產生了諧波問題。本文就SLF通信中開關功率放大器件產生的諧波問題進行研究，分析了目前SLF通信系統中采用LC濾波方案來抑制諧波的優點和局限性。結合SLF通信系統的實際，提出了有源濾波器( Active Power Filter，APF)和波形合成兩種進一步抑制諧波的方案，并論證了其可行性。

2　SLF通信系統中開關功率放大器的諧波及其危害

2.1諧波產生機理

在SLF通信系統中，大量非線性器件的使用，使得諧波廣泛存在于系統的各個模塊。按諧波來源的不同可以分為電源諧波、輸電線路諧波、通信用電設備諧波三種諧波源[2]。電源和輸電線路上的諧波在電力電氣方向上有非常多的研究，實際中也采用了一系列消除抑制措施，對通信的影響很小。通信用電設備在功率放大器之前通信信號功率很小，產生的諧波功率可以忽略不計。因此，本文重點討論功率放大器產生的諧波問題。

SLF通信系統由發信系統，收信系統兩部分組成。開關功率放大器主要工作于其發信系統。SLF發信系統基本原理如圖1所示。

圖1　SLF發信系統基本原理圖

由圖1可知，功率放大器的作用是將小信號進行功率放大，大功率信號經調諧濾波后送至天線。理想的功率放大器[3]是比照輸入的原始信號，將直流電源提供的直流功率轉換為功率放大后的輸出信號的功率，只進行功率放大，放大后的波形質量不受影響。目前，按功放管的工作狀態把功率放大器分為模擬類功率放大器和開關型功率放大器。模擬類功率放大器的功放管工作于線性放大狀態，所以輸出線性度是比較好的。但由于其功放管工作于線性放大狀態，其損耗很大。在大功率通信系統中，為提高效率，功放模塊會選擇效率更高的開關型功率放大器。開關管“放大”的基本思路是:從輸入信號的波形中采集有關信息(如頻率)，利用這些信息去分別控制各功率開關，輸出幅度相同且含有特定相位的矩形脈沖，把這些相位按特定要求的矩形脈沖有序地疊加起來，經濾波而得到與輸入波形相似、但功率非常大的輸出。在開關功率放大器中，輸入信號不是線性放大，而是經過一系列非線性變換，因此開關型放大器的失真較大，產生了大量諧波。

2.2諧波產生的危害

理想情況下，經過功率放大器功率后，放大后的信號與輸入信號波形相同，功率變大。在SLF通信中，信號采用MSK調制方式，開關功率放大器在信號波形上可以看成把小功率MSK信號變成大功率矩形脈沖信號。通過Matlab軟件，選取60Hz和70Hz兩個頻率對經過開關功放的MSK方波信號進行仿真和傅里葉變換，得到圖2和圖3。

如圖2所示，MSK信號經過功率放大器以后變成相位連續，頻率變化的方波。如圖3所示，對仿真信號進行傅里葉變換后發現，仿真信號產生了奇次(3，5，7…)諧波。這些諧波消耗了能量，造成了功率的浪費。

開關型功率放大器產生的諧波功率很大，在實際中產生了許多不利的影響。主要有以下幾點[4～5]。

圖2　矩形仿真信號

圖3　仿真信號頻譜

1) 對通信的干擾：諧波電流會使得系統周邊的有線通信線路產生干擾使得通信線路不通暢。基波信號產生的N次諧波疊加在其他頻段的信號上會產生干擾。同時，諧波的電磁噪聲和射頻噪聲會干擾小信號的穩定性，典型的例子是SLF通信會對天線附近的有線電話產生嚴重干擾。

2) 對電子控制設備的影響：諧波電流會造成控制設備的信號受到影響而發生紊亂，使得電腦發出誤動作或發出的操作指令無法傳達。繼電保護裝置、自動裝置、電能計量及儀表指示等會受到諧波的影響，嚴重時會造成損害。

3) 對電器設備的影響：諧波電流作為無用的能量存在于電路中，使短路器等電氣設備受到了不必要的損害，減短了設備的使用壽命。

3　SLF中開關型功率放大器諧波抑制方案

在SLF通信系統中，由于整個系統工作頻率低，功率大，諧波所造成的危害巨大，諧波的抑制也就變的非常重要。在諧波的治理過程中，主要從兩方面進行處理。一方面通過釆用濾波裝置進行電力系統中諧波的濾除,另一方面通過改造用電設備，從而使其產生的諧波減小。

3.1LC濾波器

LC濾波器[6]是一種無源濾波器，通過對諧波進行吸收的方式來抑制諧波。目前，SLF通信系統中，正是采用了LC濾波器進行調諧濾波。釆用LC濾波器進行諧波的濾除也是當前抑制諧波的主要措施。

LC濾波器[7]由電容器、電抗器及電阻組成。通過不同的組合，LC濾波器可以實現四種濾波功能:低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波。LC無源濾波器具有成本低、結構簡單、便于維護等優點。

圖4為一個帶通濾波器，它利用C1和L1串聯對諧振信號阻抗小、C2和L2并聯對諧振信號阻抗大的特性，讓諧振信號f容易通過，從而阻止其他頻率信號通過，從而有效濾除高次諧波。SLF通信系統中使用LC濾波器消除諧波，其結構簡單，消除諧波效果好，是一種簡便易操作的消除諧波的方法。

圖4　帶通濾波電路圖

但同時也存在以下不足：

1) 信號經過濾波器，能量被濾波器吸收，變成電磁能和熱能，存在功率浪費的問題。

2) 由于調諧偏移和殘余電阻的存在，調諧濾波器的阻抗等于零的理想條件是不可能出現的，阻抗的變化大大妨礙了濾波效果，并且還存在濾波器過負荷的可能性。

3) 消耗大量的有色金屬，體積大，占地面積大。

3.2有源濾波

有源電力濾波器[8](Active Power Filter，APF)是由 H Sasaki 和 H Machida 于 1971 年首先提出。通過向系統中注入一個與負載諧波電流幅值相等、相位相反的電流，從而抵消了系統中的諧波電流。原理如下：

如圖5所示，有源電力濾波器一般由四部分組成:諧波電流檢測電路、電流跟蹤控制電路、主開關器件驅動電路和主電路。諧波電流檢測電路利用諧波電流檢測算法檢測出負載電流中的諧波分量，同時監測有源濾波器直流側母線電容的電壓。電流跟蹤控制電路根據諧波電流檢測電路的檢測結果，經由控制算法計算生成一系列 PWM 控制信號作為補償電流的指令信號。經過電平轉換，將指令信號送入主開關器件驅動電路，驅動主電路中的開關器件。這樣，由 APF 主電路產生補償電流，注入系統中。該補償電流與非線性負載電流的諧波分量大小相同、相位相反，從而達到濾除非線性負載產生的諧波的目的。和無源濾波器相比，有源濾波器能夠對變化的諧波進行實時的跟蹤補償且補償特性與電力系統阻抗無關。

圖5　并聯型有源電力濾波器系統結構框圖

從原理上看，在SLF大功率系統通信時，信號的頻率是實時變化的，要實現諧波實時跟蹤補償，對算法和設備的要求非常高，技術實現難度大。在大功率系統中使用APF，較高的電壓水平也帶來了電壓隔離問題和開關的串并聯連接問題。APF主要作用是消除或減少諧波電流，出于經濟方面的考慮，直接采用有源逆變器實現大功率的諧波抑制不是明智之舉。因此，我們考慮采用綜合無源電力濾波器和有源電力濾波器的混合型有源電力濾波器，讓其中的無源電力濾波器承擔大部分諧波抑制功能。但從通信需求來看，采用混合濾波器只是對諧波抑制能力的進一步提升，并且設備造價較高、運行維護不太方便，須額外消耗能量，是一種性價比極低的方案。

3.3波形合成

波形合成[9]技術是一種從諧波源處來抑制諧波的方法。波形合成的原理是在不影響技術參數的情況下，通過對輸入信號波形的改變，使經過功率放大器后的信號產生的諧波盡可能的小，從而達到抑制諧波輻射的目的。

在圖1的通信系統中，頻率是信號的載體，在不改變頻率的情況下，可以通過波形合成來抑制諧波輻射。階梯波技術就是一種能夠抑制諧波的波形合成技術，它通過把輸出的方波變成階梯波來抑制諧波的產生。其抑制諧波原理如圖6所示。

圖6為取圖1中的MSK方波信號，通過Matlab仿真，合成為幅度相等頻率相同的八階階梯波波形圖，圖7為八階階梯波的頻譜圖。由圖可以看出，階梯波相對于方波，能量更多集中在基波上，對諧波分量的抑制作用十分明顯。

下面對方波(圖3)和八階階梯波(圖7)的低次諧波進行量化分析。

圖6　八階階梯波

圖7　八階階梯波頻譜

表1中，以基波為參考單位，列舉了3次、5次、7次諧波幅度與基波幅度的比值百分比。通過上表可知，在相同輸出功率即基波功率相同的情況下，3、5、7次諧波減少的能量損耗分別為26.81%、11.2%、9.2%。這說明階梯波合成能有效抑制諧波。

表1　低次諧波的能量與基波占比分析

在技術實現上階梯波[10]合成基于階梯調制(Step Moldulation，SM)技術，其原理如圖8所示。

如圖8所示，基于SM技術的高壓開關功率模塊是由n個開關功率模塊經功率開關串聯而成，每個開關功率模塊單元都可以簡化為由開關管S、續流二極管D和直流電源電壓UDC三部分組成。其工作原理是:當Si導通時第i個模塊的直流電源接入回路，不考慮Si的導通壓降時，輸出電壓為UDC;當Si關斷時其對應的續流二極管導通為系統提供續流回路，不考慮續流二極管Di的導通壓降，則第i個模塊輸出電壓為0。在任意時刻，通過控制各模塊單元開關管的導通與關斷來控制n個UDC電壓的疊加，從而控制輸出系統電壓的大小。功率模塊的個數就是階梯波所能達到的最大階數。在SLF通信系統中通過對功率放大器的改造，選擇合適的功率模塊個數和相應的控制算法，可以實現階梯波合成。

圖8　基于SM技術的高壓開關電源電路

相對于LC無源濾波和有源濾波，波形合成技術通過使諧波源輸出波形似于正弦波來抑制諧波，是一種從諧波源處來抑制諧波的方法。相比于方波，在相同輸出功率要求下，波形合成能減小輸入功率，大大提高效率。與此同時，波形合成技術也存在增加設備復雜度的缺點。以階梯波為例，階梯級數越多，輸出波形越近似于正弦波，諧波抑制效果越好，效率會越高，但同時設備復雜程度越高，可靠性越差。這要求我們在合成和控制的算法上進行優化，使諧波抑制效果、能量利用率和設備復雜程度上達到一個均衡。

波形合成技術是一種能夠有效抑制諧波的方案，具有極好的經濟效益。隨著電力電子技術的發展和一些新的波形合成技術的出現，波形合成是一種很有應用前景的方案。

4　結語

開關型功率放大器是一種非線性器件，在大功率通信系統得到廣泛應用的同時，其產生的諧波危害也需要引起我們足夠的重視。在諧波治理方面， LC濾波方案因其簡單高效的優點，已經廣泛使用。APK雖然可以準確實時地抑制諧波產生，但通信系統頻率是實時變化的，使此方案設備復雜化，性價比極低。波形合成方案是從諧波源處來抑制諧波，在抑制諧波的同時，提高了大功率通信系統電能轉化效率。所以，從提高通信質量來看，波形合成是應該得到重視的一個方案。

未來波形合成和LC濾波組合來抑制諧波的

方式必將成為大功率通信系統中開關功放諧波抑制的主要手段。而在波形合成抑制諧波方面，諧波抑制效果由采用的波形合成技術和采用此技術所使用的波形合成策略決定。目前，PSM(脈沖階梯調制技術)在諧波抑制中具有很好的發展前景。如何選擇合適的波形合成策略，使設備復雜程度和諧波抑制效果達到一個均衡，從而使效益達到最大化，這是一個值得去研究的問題。

[1] Michael L B. ELF Communication Antennas[J] .IEEE Electromagnetic Waves. 1978,14(14):454.

[2] 付青.大功率電網諧波有源治理的控制策略和工程應用研究[D].長沙：中南大學，2004.

[3] 王洪民，闞锎.大功率低頻、超低頻放大器實現途徑及特點[J].電子測量技術,2011(9)：18-22.

[4] 莫冬青.淺析電力系統中諧波威海及抑制方法[J].機電信息，2014(12):21-22.

[5] Donald W. Mclellan, Donald N. Heirman.Mitigation of ELF Interference on Telephone Lines[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,1973，15(4):166-171.

[6] 徐艷.基于模糊控制的電力無源濾波器MATLAB仿真[J].中國科技信息，2007(23):133-136.

[7] 瓦基萊.電力系統諧波:基本原理、分析方法和濾波器設計[M].徐政譯.北京:機械工業出版社，2003:21-35.

[8] 劉海軍.基于MATLAB的中頻感應爐諧波仿真研究[D].北京：華北電力大學,2014.

[9] 張秀青.基于PSM級聯逆變器光伏并網系統的研究[D].合肥：合肥工業大學，2008.

[10] 王學華，阮新波，王蓓蓓,等.階梯波合成級聯型多電平逆變器功率均衡策略[J].中國電機工程學報，2008(30):12-18.

Harmonic Restraining in Switching Power Amplifier of SLF Communication System*

The mechanism of harmonic restraining in switching Power Amplifier of SLF communication system is discussed, and the advantages and limitations of SLF ommunication system using LC filter scheme to suppress the harmonic at present are analyzed. Combined with the practical of SLF communication system, further harmonic suppression scheme with synthesis of APF and waveform is proposed, and its feasibility is proved.

switching power amplifier, harmonic restraining, LC filter, APF, waveform synthesis

2016年2月7日,

2016年3月24日

李斌,男,碩士研究生,助理工程師，研究方向：對潛通信。 王永斌,男,碩士,教授,研究方向：對潛通信。

TN839

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.007